ciência dos materiais i - prof. nilson – aula 7 ciência dos materiais i prof. nilson c. cruz
Post on 17-Apr-2015
113 Views
Preview:
TRANSCRIPT
Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 7
LaPTec
www.sorocaba.unesp.br/gpm
Ciência dos Materiais IProf. Nilson C. Cruz
Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 7
LaPTec
www.sorocaba.unesp.br/gpm
Transformações de Fases
Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 7
LaPTec
www.sorocaba.unesp.br/gpm
Transformações de Fases
1) Transformações envolvendo difusão
1a) Transformações alotrópicas, solidificação de metal puro, crescimento de grãos: Não existem alterações no número ou na composição das fases presentes.
1b) Transformações com alguma alteração nas fases presentes. Ex. reação eutetóide.
2) Transformações sem difusão onde ocorre a formação de uma fase metaestável
Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 7
LaPTec
www.sorocaba.unesp.br/gpm
Cinética das Reações no Estado Sólido
Como a maioria das reações dá origem à formação de novas fases via difusão, elas não ocorrem instantaneamente. As etapas de uma transformação são:
1) Nucleação = formação de partículas (ou núcleos) da nova fase.
2) Crescimento = aumento de tamanho dos núcleos até que as condições de equilíbrio sejam atingidas.
Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 7
LaPTec
www.sorocaba.unesp.br/gpm
Núcleosdiminuem
Núcleoscrescem
Vari
açã
o d
a e
nerg
ia liv
re, G
Energia de livre de superfície
GS = 4r2
(necessita de energia para criar a interface, desestabiliza os
núcleos)
Energia livre volumétrica
GV = 4/3 r3 G
(libera energia)
GT = GS + GV (energia livre
total)
r* = raio crítico= tensão superficialG = energia livre / unidade de volume
Nucleação, crescimento e energia livre
Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 7
LaPTec
www.sorocaba.unesp.br/gpm
Cinética das Reações no Estado Sólido
A cinética de uma reação (= dependência com relação ao tempo da taxa de transformação) é fundamental para o tratamento térmico de materiais.
Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 7
LaPTec
www.sorocaba.unesp.br/gpm
Cinética das Reações no Estado Sólido
Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 7
LaPTec
www.sorocaba.unesp.br/gpm
Cinética das Reações no Estado Sólido
Nucleação Crescimento
Logaritmo do tempo de aquecimento
Fra
ção d
e t
ransf
orm
açã
o
y = fração de transformação k, n = constantest = tempo de aquecimento
y = 1- e-ktn(Equação de Avrami)
Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 7
LaPTec
www.sorocaba.unesp.br/gpm
Cinética das Reações no Estado Sólido
A taxa de transformação r é o inverso do tempo necessário para que metade da transformação ocorra:
Nucleação Crescimento
Logaritmo do tempo de aquecimento
Fra
ção d
e t
ransf
orm
açã
o
r = 1t0,5
Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 7
LaPTec
www.sorocaba.unesp.br/gpm
Cinética das Reações no Estado Sólido
Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 7
LaPTec
www.sorocaba.unesp.br/gpm
Cinética das Reações no Estado Sólido
Influência da temperatura sobre a taxa de transformação(Ex. recristalização do cobre)
Fraçã
o R
ecr
ista
lizado (
%)
Tempo (min)
Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 7
LaPTec
www.sorocaba.unesp.br/gpm
Influência da temperatura sobre a taxa de transformação
De uma maneira geral,
r = Ae -Q/RTA = constante independente de TQ = energia de ativação da reaçãoR = constante universal dos gases = 8,31 J/mol-KT = temperatura absoluta (K)
Processo termicamente ativado Temperatura Taxa
Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 7
LaPTec
www.sorocaba.unesp.br/gpm
Transformações multifásicas
Transformações de fase podem ocorrer em função de variações de temperatura, pressão e composição. Os tratamentos térmicos (=cruzar um contorno entre fases no diagrama de fases) são a forma mais conveniente de induzir transformações de fases.
O diagrama de fases não indica o tempo necessário para transformações em equilíbrio.
Na prática, os tempos de resfriamento necessários para as transformações entre estados de equilíbrio são inviáveis.
Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 7
LaPTec
www.sorocaba.unesp.br/gpm
Transformações multifásicas
Transformações fora das condições de equilíbrio ocorrem em temperaturas menores.
Super-resfriamento
Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 7
LaPTec
www.sorocaba.unesp.br/gpm
Transformações multifásicas
No aquecimento, o deslocamento se dá para temperaturas mais elevadas.
Sobreaquecimento
Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 7
LaPTec
www.sorocaba.unesp.br/gpm
Diagramas de Transformações Isotérmicas
+ Fe3C resfriamento
aquecimento
Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 7
LaPTec
www.sorocaba.unesp.br/gpm
perlita resfriamento
aquecimento
Diagramas de Transformações Isotérmicas
Porc
enta
gem
de P
erl
ita
Tempo (s)
Temperatura
Taxa de transformação
Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 7
LaPTec
www.sorocaba.unesp.br/gpm
Diagramas de Transformações Isotérmicas
Uma maneira mais conveniente de representar a dependência de uma reação com o tempo e a temperatura é o diagrama de transformação isotérmica:
Tem
pera
tura
(°C
)
Temperatura eutetóide
Tempo (s)
Perlita
Curva de 50% de conclusão
Curva de conclusão
(100% de perlita)Curva de início(0% de perlita)
Austenita(instável)
Austenita(estável)
Menor temperatura maior taxa
r = Ae -Q/RT ?
Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 7
LaPTec
www.sorocaba.unesp.br/gpm
Diagramas de Transformações Isotérmicas
Taxa de Nucleação
Taxa de Crescimento
Temperatura de transformação em equilíbrio
Taxa total de Transformação T
em
pera
tura
Taxa
(Difusão)
(Solidificação)
Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 7
LaPTec
www.sorocaba.unesp.br/gpm
Diagramas de Transformações Isotérmicas
Temperatura constante ao longo de toda a transformação
Porc
enta
gem
de
au
stenit
a t
ransf
orm
ad
a
em
perl
ita
Tempo (s)
Início da transformação
Final da transformação
Temperatura da transformação 675 °C
Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 7
LaPTec
www.sorocaba.unesp.br/gpm
Diagramas de Transformações Isotérmicas “Reais”
Indica a ocorrência de uma transformação
Transformação austenitaperlita
Perlita grosseira
Temperatura eutetóide
Austenita
Tem
pera
tura
(°C
)
Tempo (s)
Perlita fina
Temperaturas altas difusão em maiores distâncias camadas mais espessas
(Menor difusão = camadas mais finas)
Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 7
LaPTec
www.sorocaba.unesp.br/gpm
Perlita Grosseira Perlita Fina
Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 7
LaPTec
www.sorocaba.unesp.br/gpm
A perlita se torna mais fina com a redução da temperatura de transformação.
Para temperaturas entre 300 e 540 °C ocorre a formação de agulhas de ferrita separadas por partículas alongadas de cementita. Esta estrutura é conhecida por bainita superior.
Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 7
LaPTec
www.sorocaba.unesp.br/gpm
Para temperaturas entre 200 e 300 °C ocorre a formação de placas finas de ferrita e partículas de cementita. Esta estrutura é conhecida por bainita inferior.
Perlita = estrutura lamelarBainita = agulhas ou placas
Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 7
LaPTec
www.sorocaba.unesp.br/gpm
A = austenita
P = perlita
B = bainita
Diagramas de Transformações Isotérmicas
Perlita
BainitaTaxa máxima
Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 7
LaPTec
www.sorocaba.unesp.br/gpm
Transformações perlíticas e bainíticas são concorrentes.
A taxa da transformação bainítica aumenta com o aumento da temperatura
Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 7
LaPTec
www.sorocaba.unesp.br/gpm
Cementita Globulizada
Se uma liga perlítica ou bainítica for aquecida e mantida por um tempo suficientemente longo a uma temperatura abaixo da temperatura eutetóide (ex. 700 °C, 18 a 24 horas), tem-se a formação da Cementita Globulizada.
CementitaFerrita
Partículas esféricas reduzem a área dos contornos entre as fases!
Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 7
LaPTec
www.sorocaba.unesp.br/gpm
Transformação martensítica
Quando a austenita é resfriada rapidamente (temperada) até temperaturas próximas à ambiente tem-se a formação de uma estrutura monofásica fora de equilíbrio: a martensita.
carbono
ferro
Estrutura Tetragonal de Corpo Centrado (TCC)
Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 7
LaPTec
www.sorocaba.unesp.br/gpm
Transformação martensítica
Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 7
LaPTec
www.sorocaba.unesp.br/gpm
Transformação martensítica
Não envolve difusão transformação instantânea
menos de 0,6%p C ripas mais de 0,6%p C lentículas
Duas diferentes microestruturas:
Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 7
LaPTec
www.sorocaba.unesp.br/gpm
Transformação martensítica
As linhas horizontais indicam que a transformação não depende do tempo. Ela é apenas uma função da temperatura de resfriamento! (transformação atérmica)
Tem
pera
tura
(°
C)
Tempo (s)
Temperatura eutetóide
M (início)
Percentual de transformação de austenita em martensita
Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 7
LaPTec
www.sorocaba.unesp.br/gpm
Transformação martensítica
Aço 4340 = 95,2% Fe, 0,4% C, 1,8% Ni, 0,8% Cr, 0,25% Mo, 0,7% Mn
A presença de outros elementos além do carbono altera o diagrama de transformação isotérmica.
Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 7
LaPTec
www.sorocaba.unesp.br/gpm
A maioria dos tratamentos térmicos envolve o resfriamento contínuo até a temperatura ambiente diagrama de transformação isotérmica não é mais válido.
Transformação por resfriamento contínuo
Os tratamentos isotérmicos não são os mais práticos pois a liga tem de ser aquecida a uma temperatura maior que a temperatura eutetóide e então resfriada rapidamente e mantida a uma temperatura elevada!
No resfriamento contínuo, as curvas isotérmicas são deslocadas para tempos maiores e temperaturas menores.
Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 7
LaPTec
www.sorocaba.unesp.br/gpm
Diagrama de transformação por resfriamento contínuo
Transformação por resfriamento contínuo
Tem
pera
tura
(°C
)
Tempo (s)
Temperatura eutetóide
Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 7
LaPTec
www.sorocaba.unesp.br/gpm
Diagrama de transformação por resfriamento contínuo
Resfriamento moderadamente rápido e resfriamento lento
Resfriamento moderadamente
rápido (normalização)
Resfriamento lento (recozimento total)
Tem
pera
tura
(°C
)
Tempo (s)
transformação durante o resfriamento
Indica uma
Início da transformação
Perlitafina
Perlitagrosseira
MicroestruturaCom a continuidade do resfriamento a austenita não convertida em perlita se transforma em martensita ao cruzar a linha M (início)
M (início)
Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 7
LaPTec
www.sorocaba.unesp.br/gpm
Transformação por resfriamento contínuo: taxa
crítica de resfriamento.
MartensitaMartensita
+Perlita
Perlita
M (início)
Taxa crítica de resfriamento= taxa mínima para produção de uma estrutura totalmente martensítica
Tem
pera
tura
(°C
)
Tempo (s)
Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 7
LaPTec
www.sorocaba.unesp.br/gpm
Transformação porresfriamento contínuo: taxa crítica de resfriamento para
ligas.
A presença de outros elementos diminuem a taxa de resfriamento crítica.
Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 7
LaPTec
www.sorocaba.unesp.br/gpm
Comportamento mecânico das ligas Fe-C
A cementita é muito mais dura que a
ferrita!
%p Fe3C
Limite de resistência à
tração
Dureza Brinell
Limite de escoamento
Índ
ice d
e d
ure
za B
rinell
Composição (%p C)
Lim
ite d
e e
scoam
ento
e r
esi
stênci
a à
tra
ção (
10
3 p
si)
Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 7
LaPTec
www.sorocaba.unesp.br/gpm
Comportamento mecânico das ligas Fe-C
Limite de escoamento = tensão mínima para provocar deformação plástica (permanente).
Limite de resistência à tração = tensão máxima suportada sob tração sem sofrer fratura.
Ex. Esfera de 10 mm
P
D d
Dureza Brinell
HB =
2 2πD D- D -d
2P
Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 7
LaPTec
www.sorocaba.unesp.br/gpm
Comportamento mecânico das ligas Fe-C
A cementita é muito mais frágil que a
ferrita!
Alongamento
Redução de área
En
erg
ia d
e im
pact
o Izo
d (
ft-l
bf)
Composição (%p C)
Duct
ibili
dade (
%)
%p Fe3C
Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 7
LaPTec
www.sorocaba.unesp.br/gpm
Comportamento mecânico das ligas Fe-C
Perlitafina
Perlitagrosseira
Composição (%p C)
Índ
ice d
e D
ure
za B
rinell
A perlita fina é mais dura que a perlita
grosseira! Existe forte aderência entre ferrita e cementita através dos contornos entre as fases e Fe3C. Quanto maior a área superficial, maior a dureza.
Os contornos de grão restringem o movimento de discordâncias. Assim, maior área superficial, maior dureza.
Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 7
LaPTec
www.sorocaba.unesp.br/gpm
Comportamento mecânico das ligas Fe-C
Menor área de contorno de grãos por unidade de volume = menor dureza e maior ductibilidade
Cementita globulizada
Composição (%p C)
Índ
ice d
e D
ure
za B
rinell Perlita
fina
Perlitagrosseira
Cementitaglobulizada
Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 7
LaPTec
www.sorocaba.unesp.br/gpm
Comportamento mecânico das ligas Fe-C
Bainita
Temperatura de transformaçao (°C)
Índic
e d
e d
ure
za B
rinell
Lim
ite d
e r
esi
stênci
a à
tra
ção (
MPa)
Bainita Perlita
Partículas mais finas
Maior resistênciaMaior dureza.
Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 7
LaPTec
www.sorocaba.unesp.br/gpm
Comportamento mecânico das ligas Fe-C
Martensita
A liga de aço mais dura,
mais resistente emais frágil!
Índic
e d
e d
ure
za B
rinell
Composição (%p C)
Martensita
Perlita fina
A dureza está associada à eficiência dos átomos de carbono em restringir o movimento das discordâncias.
Como a austenita é mais densa que a martensita, ocorre aumento de volume durante a têmpera podendo causar trincas.
Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 7
LaPTec
www.sorocaba.unesp.br/gpm
Comportamento mecânico das ligas Fe-C
Martensita Revenida
Após a têmpera, a martensita é tão frágil que não pode ser usada na maioria das aplicações.
Pode-se melhorar a ductibilidade e a tenacidade da martensita com um tratamento térmico, o revenido.
Revenido = aquecimento a temperaturas abaixo da temperatura eutetóide durante algum tempo seguido por resfriamento lento até a temperatura ambiente.
Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 7
LaPTec
www.sorocaba.unesp.br/gpm
Comportamento mecânico das ligas Fe-C
O revenido permite, através de processos de difusão, a formação da martensita revenida:
Martensita
(TCC, monofásica)
Martensita revenida
( + Fe3C)
Tratamento
térmico
Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 7
LaPTec
www.sorocaba.unesp.br/gpm
Comportamento mecânico das ligas Fe-C
Martensita Revenida(pequenas partículas de Fe3C em uma matriz de ferrita)
CementitaFerrita
Martensita Lenticular
MartensitaAustenita
Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 7
LaPTec
www.sorocaba.unesp.br/gpm
Comportamento mecânico das ligas Fe-C
Martensita Revenida Cementita Globulizada(9300X) (1000X)
Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 7
LaPTec
www.sorocaba.unesp.br/gpm
Comportamento mecânico das ligas Fe-C
Martensita Revenida
Martensita
Martensita revenida a 371°CD
ure
za B
rinell
Composição (%p C)
A martensita revenida é quase tão dura quanto a martensita! A fase contínua de ferrita confere ductibilidade à martensita revenida
Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 7
LaPTec
www.sorocaba.unesp.br/gpm
Comportamento mecânico das ligas Fe-C
Martensita Revenida
Dure
za R
ock
well
C
Dure
za B
rinell
Tempo de tratamento (s)
Como o revenido envolve difusão do carbono, quanto maior a temperatura e/ou o tempo de tratamento, maior será a taxa de crescimento (=diminuição da área de contato entre os grãos) das partículas de Fe3C e, portanto, do amolecimento da martensita.
Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 7
LaPTec
www.sorocaba.unesp.br/gpm
Austenita(ferrita CFC)
Comportamento mecânico das ligas Fe-C
Resumo
Perlita( + Fe3C)
Bainita( + partículas Fe3C
Martensita(TCC)
Resfriamentolento
Resfriamentomoderado
Resfriamentorápido (têmpera)
Martensita revenida
Reaquecimento
top related